PT100溫度傳感器在單片機項目化實訓中的應用

摘 要：根據(jù)項目化教學的需要，利用PT100溫度傳感器設計一款單片機數(shù)碼溫度顯示器。文中主要論述了PT100溫度傳感器的測溫原理、軟硬件實現(xiàn)方法以及項目實訓過程。（本文原刊于煤礦開采2014年5月）

關鍵詞：PT100溫度傳感器；運算放大器；IAP15F2K60S2；在線仿真

溫度計是現(xiàn)實生活中一重要實用物品，將該產(chǎn)品進行項目化教學設計可極大提高學生的學習積極性?？蓪⑵浞纸鉃閿?shù)碼管顯示子項目、定時器中斷應用子項目、串行通信子項目、AD模數(shù)轉換子項目，并可擴展按鍵輸入、報警輸出子項目。該項目基本包含了單片機教學的主要內(nèi)容：輸入/輸出口應用、中斷、定時器、串行口、模數(shù)轉換等。通過項目分解，使學生掌握單片的基本結構、原理、程序設計與應用系統(tǒng)開發(fā)過程。每次實訓結束后，多數(shù)學生都甚至想出資并強烈要求把自已的實訓作品帶走。若將該項目進行產(chǎn)品化可進一步推進單片機教學向生產(chǎn)性實訓靠攏。

PT100鉑熱電阻00C時其電阻值為100Ω，1000C時電阻值為138.5Ω，其電阻值隨著溫度的升高近似線性增大，其阻值隨溫度變化的計算公式為：

-200

圖1 PT100溫度阻值線性化

0≤t<850℃ Rt=R0（1+At+Bt2）

由上述公式可看出PT100阻值與溫度的關系接近于拋物線。為了減化編程，本實例中將PT100電阻和溫度線性化，如圖1在程序中把溫度區(qū)間分段，分段區(qū)間內(nèi)其電阻值與溫度近似成正比，得

T=K（Rt -100）=K Rt -100K=K Rt –B 式（1）

由圖1知K=100/（138.5-100）≈2.5974

統(tǒng)過改變其比例系數(shù)K并減去一修正常數(shù)B使其更接近于實際溫度。這比查PT100阻值-溫度關系分度表要容易的多，精確度也可實現(xiàn)較高。

圖2是PT100的放大電路，PT100熱電阻電壓采樣采用電阻分壓橋式電路，TL431是穩(wěn)壓二極管，通過電阻R1使電壓穩(wěn)定在2.5V，避免電源電壓的波動影響采樣電壓的穩(wěn)定。PT100在零度時的電阻為100Ω，與電阻R2串聯(lián)分壓送運算放大器正向輸入端；R3和R4分壓送運算放大器負向輸入端；理論上零度時正負輸入端壓差為0，隨著溫度的升高，每升高一度，PT100阻值增加0.390C，流過PT100的電流為1mA，即溫度每升高一度，前級運算放大器正負輸入端壓差升高0.39mV。運算放大器采用LM258單電源運放，工作電壓為+5V，即滿量程輸出為0～5V，為了避免放大倍后超過5V限幅，限定運算放大器輸出幅寬4V。已知流過PT100的電流為Ii（1mA），Pt100的阻值為Rt。PT100在5500C的阻值為297.49Ω，取整數(shù)值300Ω。設放大倍數(shù)為A，計算A值如下。

Ii*（Rt-100）*A<4

0.39*10-3（300-100）*A<4

A<51

即放大倍數(shù)應小于51，取50，可測量溫度范圍為00C ～5500C。

設運算放大器輸入壓差為Vi，輸出電壓為Vo，有

Vo=A*Vi=A*Ii*（Rt-100）

上式中A=50，Ii=1mA。得：

Vo=50*1*10-3*（Rt-100）=0.05（Rt-100） 式（2）

放大后的信號送單片機ADC0模數(shù)轉換輸入接口，通過8位AD轉換將模擬電壓Vo轉換為數(shù)字量n。

Vo=V*n/256

已知單片機AD轉換工作電壓為5V，得：

Vo=5*n/256 式（3）

由式（2）和式（3）得

0.05（Rt-100） =5*n/256

Rt=100*n/256+100 式（4）

圖2 PT100信號放大電路

由式（1）和式（4）可計算得出溫度T。

若按上述規(guī)定溫度測量范圍為5500C，單片機AD采樣用8位AD轉換器，則其有效測量精度小于550/256，即測量精度大約20C。若要提高測理精度，可采用更高位AD轉換器（比如12位AD轉換器，有效測量精度550/4096，小于0.20C。），或縮小溫度測量范圍（00C ～500C），并增大運算器放大倍數(shù)。

IAP15F2K60S2單片機內(nèi)部有一10位AD轉換器。IAP15F2K60S2單片機不僅具有ISP/IAP在線編程功能，利用其內(nèi)部的監(jiān)控程序還可進行在線仿真，方便程序調(diào)試，又節(jié)省成本，特別適合教學。利用IAP15F2K60S2單片機的1.0模擬輸入接口采集模擬信號，轉換成數(shù)據(jù)信號后根據(jù)式（4）記算電阻值Rt，然后根據(jù)式（1）記算溫度T。另外由于運算放大器和電阻誤差的存在，根據(jù)實際溫度將顯示結果做微調(diào)。C3、C4是運算放大器LM258的電源濾波電容，C4是高頻旁路電容，電容C6對運算放大器輸出濾波。

考慮到ADC0809是單片機教學中常用模數(shù)轉換接口芯片，項目中擴展了ADC0809接口芯片的應用，ADC0809芯片內(nèi)部沒有時鐘電路， ADC0809的CLK為時鐘輸入端，其頻率應小于640KHz，本實例中用單片機的定時器1產(chǎn)生一400KHz的時鐘作為ADC0809的工作時鐘。模擬輸入使用通道IN0，轉換后的數(shù)據(jù)輸出到單片機的P0口。為了更好的理解ADC0809的模擬轉換過程，在硬件和軟件設計上沒有采用總線方式，而是用單片機的三個I/O口分別產(chǎn)生地址鎖存ALE/啟動轉換信號ST、轉換結束判斷信號EOC、允許轉換結果輸出信號OE。

圖4 三極管符號及引腳圖

顯示電路采用數(shù)碼管動太掃描方式，目的在于加強對單片機基礎知識的理解。進一步理解數(shù)碼管靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描原理及應用，掌握數(shù)碼管動態(tài)掃描編程。并在項目中增加了按鍵調(diào)整電路，報警電路，串口通信。項目實例基本包含了51單片機主要知識點。為了減小AD采樣期間電源波動，在AD轉換期間應避免單片機I/O口的狀態(tài)變化，項目中用定時器T0每定時1ms采樣一次，并對10次采樣值求和取平均進行數(shù)值濾波。

實訓過程中最好讓學生利用Protel工具軟件獨立繪制電路原理圖和PCB制板圖。制作數(shù)碼管、DC電源等SCH元件庫，設計原理圖，制作數(shù)碼管、DC電源等PCB元件庫，設計PCB制板圖，輸出CAM文件。進一步理解元器件在原理圖中引腳排列和實際封裝中的對應關系。比如PNP型開關三極管在電路原理圖（圖4）中的三個引腳1腳（發(fā)射極E，接電源Vcc）、2腳（基極B，接1K電阻）、3腳（集電極C，接數(shù)碼管陽極公共端）與其實際封裝中的三個引腳的對應關系。進一步增強對電路中元器件工作原理的理解能力。

在PCB圖設計中，盡可能要求學生手工步線，在手動步線過程中，對照原理圖中各元器件的線路連接關系，進一步檢查各導線間的連接關系及步線的正確性，加深對電路的理解與應用，為后序的軟硬件調(diào)試打好堅實基礎。

圖5 主程序

圖6 定時器T0中斷服務

對于焊接實訓教科書中比較詳細，不再贅述。由于學生焊接的熟練程度和技術能力有限，錯誤在所難免。如果把一塊板子上的所有元器件都焊接完成，再調(diào)試檢查硬件線路比較困難。我們在實訓中的做法是先焊接成功一個小系統(tǒng)，比如本例中先點亮一個數(shù)碼管，或先點亮一個數(shù)碼管中的一段，設計對應的數(shù)碼管閃爍測試程序，此階段可不要求數(shù)碼管顯示數(shù)字，僅是讓單片機動起來。這不僅有利于檢查硬件線路，還提高了同學們的軟件編程能力，提高同學們的硬件排除能力，增強自信力。然后再焊接其他數(shù)碼管，同樣要求學生一邊焊接，一邊測試，不提倡學生一次焊接多個元器件，直到四個數(shù)碼管全部閃爍顯示。這時可要求學生編寫0-9的數(shù)碼顯示測試程序，比如先顯示0123，一秒后再顯示4567，再隔一秒顯示890.1帶小數(shù)點顯示等，到此階段顯示電路制作完成。第二階段推薦先焊接ADC0809模數(shù)轉換芯片，編寫對應的單片機測試程序，將ADC0809的通道IN0接地或接電源，檢查其數(shù)字輸出，測試ADC0809是否正常工作。最后焊接PT100和LM258運算放大電路，編寫程序，測試軟硬件。

IAP15F2K60S2單片機具有在線仿真調(diào)試功能，與下載器連接僅需4根線：電源、TxD、RxD和地。通過stc-isp-15xx-v6.63軟件設置IAP15F2K60S2單片機為仿真芯片，可進行單步、斷點、執(zhí)行到命令行等調(diào)試。stc-isp-15xx-v6.63程序代碼下載器軟件內(nèi)部集成串口調(diào)試、波特率、定時器常數(shù)計算及程序自動生成工具，可大大簡化了編程工作量，提高編程郊率。采用USB調(diào)試接口，不需要在電路板中增加max232電平轉換接口即可實現(xiàn)串行化數(shù)據(jù)顯示及發(fā)送。

主程序主要實現(xiàn)定時器T0、定時器T1、串行口的初始化，調(diào)用顯示子程序和溫度計算子程序。定時器T0用于控制AD采樣的頻率，如圖6，每50ms中斷1次，中斷20次1秒，實現(xiàn)每隔1秒單片機進行一次AD模數(shù)轉換，并將轉換數(shù)據(jù)保存在AD采樣結果數(shù)組。定時器T1用于產(chǎn)生400KHz時鐘，由其時鐘輸出口P3.4送模數(shù)轉換結口ADC0809，用作ADC0809的時鐘。定時器T1應禁止中斷。串行口主要用作程序調(diào)試時的數(shù)據(jù)顯示。溫度顯示用4位數(shù)碼管動態(tài)掃描實現(xiàn)，掃描頻率50Hz。

圖7 溫度計算

溫度計算主要包括兩個方面內(nèi)容，如圖7，一是對AD轉換結果進行數(shù)值濾波處理，二是將處理后的數(shù)據(jù)向溫度值轉換。由于干擾的存在，在采樣過程中會出現(xiàn)采樣信號的波動，為了減小干擾造成的測量誤差，項目中設置采樣10次求平均值的方法進行濾波。在進行數(shù)值濾波操作之后，正如開篇所述，要將AD結果轉換為溫度，常用兩種方法，查表法和公式法。查表法占用存儲空間，編程比較麻煩，實現(xiàn)精度也不高；公式法比較簡單，只需要確定比例系數(shù)K和修正偏差B即可。

在上述項目的基礎上也可拓展聲光報警電路、按鍵輸入電路等。該項目不僅涵蓋了單片機教學的基本知識點，又可在項目實訓過程中強化編程訓練，掌握程序調(diào)試技巧。通過調(diào)試各個模塊程序，由小到大、逐步增加，然后調(diào)試主程序，再將各部分連接進行綜和調(diào)試，培養(yǎng)學生的程序調(diào)試能力?？偨Y來說，項目教學法是以學生為中心，以真實項目為載體，以培養(yǎng)學生的實際操作技能為目標，在整個過程中邊實踐邊學習。將被動學習變?yōu)橹鲃犹剿鲗W習，讓學生在學習過程中發(fā)現(xiàn)問題、思考分析問題、解決問題，提高學生的學習主動性和動手操作能力。（本文原刊于煤礦開采2014年5月）

作者簡介

本文作者胡建波，1994年7月山東工業(yè)大學畢業(yè)，工程碩士，長期從事嵌入式教學與實踐操作，主要研究方向為微型計算機開發(fā)與應用。